1.1.3　地下和天上的關鍵點

利用天上的星星定位，我們就必須先要為星星們定位。也就是在天上人為地畫出（規定）一些點、線、面，用它們來確定天體在星空中的位置。而這些點、線、面構成的體系就是我們觀測天體所使用的天文坐標系。最常用的天文坐標系有地平坐標系、赤道坐標系和黃道坐標系，其他針對特殊的需要還有諸如白道坐標系（專門用來觀測月球）、銀道坐標系（專門用來觀測銀河系）等。

1．地球上的點和線

無論是什么形式的坐標系，無論我們要做什么觀測，都是要在地球上進行的，所以，我們先來了解和“規劃”地球吧。

（1）地心地軸和地球上的經緯線

地心：地球的中心叫作地心，也就是球體地球的球心（圖1.20）。

地軸：理論上來說，任意穿過地心在地球表面對稱的軸，都可以稱之為地軸。不加說明的話，一般來講地軸指的是地球的自轉軸。

地極：地軸在地球表面對稱出現的兩點叫地極。由于地球自轉是由西向東的，所以，地極有南極和北極。地球上存在三套地極系統：通常所指的是運動的南北極（對應的是自轉軸）、地理上的南北極和幾何意義上的南北極（地球并不是標準的球體）。

經線（子午線）：通過地軸的平面同地球相割而成的圓（圖1.21（b））。經線都是大圓的一半，都在兩極相交，大小相同。

緯線：垂直于地軸的平面同地球相割而成的圓（圖1.21（a））。緯線相互平行，大小不等。

經緯網和經緯度：由東西走向的經線和南北走向的緯線構成的“網”，就叫經緯網。分別從零度經線和零度緯線開始度量的系統稱之為經緯度（系統），用來給出地球上某點的位置（坐標）。如圖1.22所示。本初（起點）子午線規定為通過英國格林尼治(Greenwich)天文臺的經線（1884年確定），也叫0°經線；經過赤道(equator)的大圓稱之為0°緯線（圖1.23）。

（2）地理坐標

某地的經度和緯度相結合，叫作該地的地理坐標。地理定位就是將地理坐標與地球上的點一一對應。書寫按慣例是先緯度，后經度；數字在先，符號在后。如北京（39°54′N, 116°23′E）、舟山（29°57′N，122°01′E）。

地球上的方向通常是指地平方向。南北方向（經線方向），是有限方向；東西方向（緯線方向），是無限方向，理論上亦東亦西；實際上非東即西。

我國傳統上把正午太陽所在方向定為正南，而把日出日落的方向視為東西方向；東西方向與地球自轉相聯系，可以這樣判斷：右手大拇指伸出，其余四指彎曲，大拇指指向天北極，其余四指彎曲的方向為自西向東的方向。在用時針的方向表述地球自轉方向時，必須明確觀測者是立足于哪個半球觀測地球自轉的。

（3）特殊的標志

本初子午線之所以在倫敦的格林尼治，是和“日不落”的大英帝國相關聯的（圖1.24）。目前那里更多地體現為旅游標志地。

厄瓜多爾位于南美洲西北部，赤道橫貫國境北部，厄瓜多爾就是西班牙語“赤道”的意思。厄瓜多爾一家名為“世界中心”的主題公園自稱位于赤道上，而經全球衛星定位系統（the Global Positioning System,GPS）測定，根本不是那么回事。這家主題公園自己畫的0°-0＇-0＂緯度線并不是真正的赤道（圖1.25），而是偏北了240米。對此，公園官方解釋說，位于公園內的赤道紀念碑修建于1936年，那時的定位技術不像現在這么精準。據悉，這家公園為國家所有，每年能夠吸引大約50萬名來自全球各地的游客。有趣的是，前往參觀真正赤道線所在地的游客卻少于前往主題公園的游客人數。

地球的標志線中，唯一經過我國的就是北回歸線。廣東是世界上建有北回歸線標志最多的地方，中國大陸最早的北回歸線標志在封開，中國大陸最東的北回歸線標志在汕頭，世界最高的北回歸線標志在從化（圖1.26（b））。夏至中午，在汕頭、從化和封開三處的北回歸線標志，都可觀察到陽光從北回歸線標志的頂部圓孔直射到地面的景象。最佳觀賞時間是:汕頭北回歸線標志12時15.4分，從化北回歸線標志12時27.8分，封開北回歸線標志12時35.8分。此外，云南的墨江建有“北回歸線公園”（圖1.26（a）），為我國的科普事業貢獻很大。

2．天球坐標（系）

人類最早用于觀測天體的坐標系是“地平坐標系”，它的主要構架為地平圈、等高圈和北南東西四個標準點。地平坐標系更適用于確定地理方位，隨著人們對星空觀測的需要，逐漸開始采用“赤道坐標系”和更容易對黃道天體（太陽、月亮、五大行星都屬于黃道天體）的觀測而進化采用了“黃道坐標系”。

（1）天球和天體的運動

敕勒川，陰山下，

天似穹廬，籠蓋四野。

天蒼蒼，野茫茫，

風吹草低見牛羊。

這首古代的北朝敕勒民歌有著多么寬廣的氣概呀！天似穹廬，我們一直就把我們頭頂的天空稱為“天穹”，把一望無際的天邊（線）稱為“地平線”（圖1.27）。

“天穹”是地上的半個（天）球，不難想象地下也應有半個（天）球，合成在一起就是一個——天球。天球就是以地心為球心，半徑為任意的假想球體（圖1.28），是表示天體視運動的輔助工具，它是一個完整的球，是一個我們目力所及的圓球。我們設想天體都是在天球上運動的。在天文學研究中，也有地心天球和日心天球之分。

隨著地球一天的自轉，反映到天體就是“周日視運動”。對于地球觀測者，天球圍繞我們以與地球自轉相反的方向（向西）和相同的周期旋轉。天球上的天體則隨著地平高度的不同，它們周日“視”運動行經的路線，越近天極的天體周日圈越小，反之亦然（圖1.29）。

天體除去“周日視運動”，還參與“周年運動”。比如太陽的周年運動（圖1.30）方向是自西向東，與地球公轉方向相同。太陽“周年視運動”的視行路線被稱為黃道。天體的“周年運動”還會產生星空的季節變化（圖1.31）。

太陽同時參與兩種相反的運動。由于地球自轉而隨同整個天球的運動，方向向西，轉一周為一日；由于地球公轉而相對于恒星的運動，方向向東，巡天一周為一年；所以，太陽的周日運動由于參與周年運動的原因是落后于永遠不動的恒星的。

（2）天球上的圓和點

根據天文坐標系的需要，我們在天球上設置了一些基本的圈和點（圖1.32）。

三個基本大圓：地平圈、天赤道、黃道。

三對基本（極）點：地平圈兩極——天頂和天底；天赤道的兩極——天北極和天南極；黃道的兩極——黃北極和黃南極。

各大圓所產生的（重要）交點：天赤道交地平圈——東點和西點；黃道交天赤道——春分點和秋分點。

天球上的方向是地球上方向的延伸。東西方向是這樣規定的：俯視天北極，逆時針方向為東，上北下南。天球上只有角距離（圖1.33）。

（3）天球坐標系

天球是一個球形，所以天文坐標系都屬于球坐標系。球坐標系的一般模式是以基圈、始圈和終圈構成一球面三角形。縱坐標即緯度；橫坐標即經度（圖1.34）。

天球坐標系一般分為兩大類，右旋坐標系：與天球周日運動（地球自轉）聯系，向西；左旋坐標系：與太陽周年運動（地球公轉）聯系，向東。

①地平坐標系（圖1.35）

用途：表示天體在天空中的高度和方位；

基本圈：地平圈、子午圈、卯酉圈；

基本要素：原點——南點、始圈——午圈、緯度——高度（0°~90°，從地平圈向天頂度量）、經度——方位（0°~360°，自南點向西沿地平圈度量）。

②赤道坐標系（圖1.36）

用途：表示天體在天球上的位置；

基本圈：天赤道、二分圈和二至圈；

基本要素：基圈——天赤道、原點——春分點、始圈——春分圈、緯度——赤緯（自赤道面向北向南0~±90°度量）、經度——赤經（自春分點沿天赤道0~360°向東度量）。

③黃道坐標系（圖1.37）

用途：表示日月行星等黃道天體的位置及其運動；

基本圈：黃道、無名圈（通過春分點的黃經圈）和二至圈；

基本要素：基圈——黃道、原點——春分點、始圈——無名圈、緯度——黃緯（自黃道面向北向南0~±90°度量）、經度——黃經，自春分點沿黃道向東度量（為使太陽的黃經“與日俱增”）。